Гідрологія підземних вод - Гідрологія - Теорія географії - Каталог статей

Головна » Статті » Теорія географії » Гідрологія

Гідрологія підземних вод

Теорія і гіпотези походження підземних вод. Підземні води – це води, що містяться в земній корі й активно взаємодіють з поверхневими водами та атмосферою. Підземні води беруть участь у кругообігу води на Землі.
Довгий час існували дві теорії щодо походження підземних вод. Інфільтраційна (скупчення підземних вод – це результат просочення атмосферних опадів). Конденсаційна (джерело утворення підземних вод – водяна пара атмосфери).
За умовами походження підземні води поділяють на вадозні – це води поверхневого (атмосферного) походження. Вони поділяються на інфільтраційні, інфлюаційні, конденсаційні.
Другою групою є – ювенільні води, третьою – седиментаційні.

Види води в порах ґрунту. Залежно від фізичного стану і характеру зв’язку з породою виділяють такі види підземних вод: хімічно зв’язана, фізично зв’язана, капілярна, гравітаційна, в твердому та пароподібному стані.
Хімічно зв’язана вода – це та вода, що входить до складу мінералів та гірських порід, наприклад, гіпсу CaSO4•2H2O, соди Na2SO3•10H2O та ін. Вона може бути видалена з мінералів лише під дією високої температури, і у кругообігу води участі не бере.
Фізично зв’язана вода утримується на поверхні частин молекулярними силами і може бути видалена при температурі 90...120°С і вище. Вона поділяється на гігроскопічну і плівкову.
Гігроскопічна - це міцно зв’язана вода, що утримується на поверхні частини молекулярними і електричними силами: у вигляді тонких плівок товщиною 1-2 молекули. Властивість порід поглинати й утримувати на поверхні своїх частин деяку кількість води називається гігроскопічністю. Гігроскопічність може бути неповною, коли товщина плівки навколо частинки становить 1-3 молекули, і максимальною, коли товщина плівки 10-33 молекул. Високу гігроскопічність мають глинисті породи, бо загальна поверхня всіх частин в одиниці об’єму надзвичайно велика.
Плівкова вода, утворює плівку зверху гігроскопічної води, коли вологість породи стає вищою від її максимальної гігроскопічності. Під дією гравітації плівкова вода рухається вниз, а під дією молекулярного притягання - від місць з більшою товщиною плівки до місць з меншою її товщиною. Крім фізично зв’язаних вод, виділяють також капілярні та гравітаційні.
Капілярна вода заповнює пори і тонкі проміжки в гірських породах. Вона зберігає деякі властивості фізично зв’язаної води. Капілярна вода може передавати гідростатичний тиск і при різниці напорів у двох пунктах може переміщуватись вверх на висоту капілярного всмоктування в даних умовах. В глинистих породах, де капіляри тонкі, різниця між капілярною і плівковою водою зникає.

Вільна або гравітаційна вода. Це краплиннорідка вода, що заповню пори в породах і не може утримуватися силами притягання до стінок пустот, а під впливом гравітації стікає в напрямі нахилу. Кількість гравітаційної води в породі залежить від її пористості та тріщинуватості. Наприклад, у глинах гравітаційної води дуже мало, а в піщано-галечникових відкладах або в, інших тріщинуватих породах вона переважає над іншими видами води.
Типи підземних вод за характером залягання. За характером залягання підземні води поділяють на: підземні води суші, підземні води океанів і морів. Підземні води суші поділяють на підземні води зони аерації і підземні води зони насичення. Під океанами і морями зона аерації відсутня. А в зоні насичення наявні напірні води, які гідравлічно можуть бути пов’язані з підземними водами континентів. В зоні насичення на континентах знаходяться підземні води трьох типів – безнапірні ґрунтові, артезіанські і глибинні.
Залежно від умов залягання виділяють три основні типи підземних вод: верховодку, ґрунтові та артезіанські води.
До верховодки належать неглибокі й непостійно існуючі води, що утвориться на лінзах та шарах водотривких або слабо проникливих порід в зоні аерації. Вона залягає безпосередньо під ґрунтом і значно впливає на урожай сільськогосподарських культур. Створення верховодки зумовлено процесами інфільтрації атмосферних опадів, поверхневих вод та конденсації водяної пари.
Здебільшого верховодка утворюється, як і тимчасовий порівняно малопотужний водоносний горизонт, що зникає під час посушливих періодів і знову з’являється в періоди достатнього зволоження
Потужність верховодки здебільшого становить 0,4-1.0 м, іноді сягає 2-5 м.
На формування верховодки дуже впливає рельєф. Так, на стрімких схилах, де опади здебільшого стікають і мало просочуються, верховодка відсутня або існує дуже короткий час. На пологих ділянках рельєфу, плоских вододілах, річкових терасах та ін. виникають сприятливі умови для виникнення верховодки, води якої вистачає для сезонного господарсько-побутового водопостачання, проте в більшості випадків верховодка непридатна для постійного водопостачання.

Ґрунтові води - це перший від поверхні Землі постійний горизонт гравітаційних вод. Вони можуть міститися в породах найрізноманітнішого складу і е безнапірними. Живлення відбувається за рахунок інфільтрації атмосферних опадів, фільтрації з річок, озер, каналів, конденсації водяної пари. Ґрунтові води поширені в природі і перебувають здебільшого в тріщинуватих гірських породах. Порода, що містить воду, називається водоносним горизонтом, вільна поверхня вод - дзеркалом ґрунтових вод, а нижня межа, тобто водотривкий горизонт, - ложем ґрунтових вод. Над дзеркалом ґрунтових вод залягає капілярна зона різної потужності. Горизонт ґрунтових вод має зв’язок з атмосферними та поверхневими водами тому дзеркало їх повторює рельєф поверхні. Під час дощів і весняного сніготанення рівні ґрунтових вод помітно підіймаються навіть при глибокому їх заляганні. Під час посух та взимку рівні ґрунтових вод знижуються.
Глибина залягання ґрунтових вод коливається від нуля до десятків, іноді сотень метрів.

Артезіанські /напірні/ води залягають у водоносних горизонтах між водотривкими шарами порід в межах великих геологічних структур /синкліналей, монокліналей/. Такі структури, що утримують один або кілька напірних водоносних горизонтів і займають великі площі, називаються артезіанськими басейнами.
Артезіанські вода залягають глибше за горизонт ґрунтових вод. Режим артезіанських вод стабільніший, ніж ґрунтових вод. Ці води значно чистіші від попередніх. При відкритті водоносного горизонту рівень води у свердловині підіймається вище за дзеркало води, іноді навіть самовиливається на поверхню. При високих напорах артезіанські воді можуть фонтанувати. Назва походить від провінції Артуа /Артезія/ у Франції, де в 1126 р. вперше в Західній Європі було споруджено криницю, що дала самовиливну воду.
Напірні води можуть збиратись не тільки в осадових породах, а й в тріщинах кристалічних та закарстованих порід. Живляться вони в місцях виходу на поверхню водопроникних порід
На формування і стік артезіанських вод впливає рельєф. На вододілах напори понижуються, і відбувається перетік вод вглиб. По долинах річок співвідношення напорів зворотне, і відбувається перетік з нижніх горизонтів до верхніх і навіть вилив вод на поверхню.

Рух і режим підземних вод. Залежно від розмірів пустот рух підземних вод буває ламінарним або турбулентним. Ламінарний рух води відбувається при фільтрації підземних вод у дрібнозернистих породах, турбулентний при русі води у великих пустотах і в тріщинах. При ламінарному русі швидкість й пропорційна падінню V пропорційна падінню напору на одиницю довжини або гідравлічному нахилу і, тобто V=К?, де К - коефіцієнт фільтрації поради при гідравлічному нахилі. Це закон Дарсі.
При турбулентному русі води швидкість V виражається, формулою Шезі: V=сRі, де R – гідравлічний радіус, тобто відношення площі поперечного перерізу до змоченого периметра, с – коефіцієнт, що залежить від шорсткості стінок.
Крім ламінарного і турбулентного, рух підземних вод буває безнапірним і напірним, рівномірним і нерівномірним, усталеним і неусталеним. Безнапірний рух характерний для ґрунтових вод з вільною поверхнею рівнів, напірний рух – артезіанським водоносним горизонтам, де тиск більший за атмосферний, тому при їх розкритті такі води можуть самовиливатись. При усталеному /стаціонарному/ русі підземних вод параметри фільтраційного потоку - потужність, швидкість та ін. - постійні в часі. Насправді рух підземних вод неусталений завдяки нерівномірній інфільтрації атмосферних опадів, коливанню рівня води поверхневих водойм /гідравлічно зв’язаних з підземними/, господарській діяльності людини.

Мінеральні води. Підземні води поділяються на прісні /до 1‰/, солонуваті /1-25‰/, солоні /25-50‰/, розсоли /понад 50‰/. Підземні води, що чинять бальнеологічний вплив на організм людини, називають мінеральними.
Вони мають біологічно активні властивості, зумовлені підвищеним вмістом розчинених у воді певних хімічних компонентів, газів або органічних сполук. Отже, це води лікувальні. Але є води високомінералізовані, навіть розсоли, які не мають лікувальних властивостей, їх називають мінералізованими.
Найбільш поширена класифікація мінеральних вод за їх хімічним складом. Виділяють:
Гідрокарбонаті води, в яких вміст іона НС03 перевищує 25%-екв. /від суми аніонів/. За переважаючими катіонами тут виділяють підклас натрієвих, кальцієвих, магнієвих вод;
Хлоридні води з вмістом іона Сl 25%-екв. За переважаючими катіонами тут виділяють ті самі підкласи, що й в попередньому клас і;
Сульфатні мінеральні води, в яких вміст іона SO4 становить 25%-екв. За катіонами виділяють ті самі підкласи, що і в попередніх]
Мінеральні води складного хімічного складу, що являють-собою, поєднання вод трьох попередніх класів;
Води з біологічно активними іонами /йоду, брому, миш’яку, заліза/, та води, що містять важкі або радіоактивні метали;
Води з великим вмістом органічних речовин;
Газові мінеральні води, що містять значну кількість розчинених газів /вуглекислі, сірководневі тощо/. Останні є дуже цінними.
Походження деяких груп мінеральних вод ще остаточно не з’ясоване, проте наявність водню і метану свідчить про інтенсивні біохімічні процеси у водоносному горизонті, що проходили або проходять. Вуглекислі води утворились під час метаморфічних процесів, деякі мінеральні води - внаслідок вилужування легкорозчинних гірських порід та складних обмінних реакцій між підземною водою і породами.
Крім мінеральних вод з лікувальними властивостями. існують промислові мінеральні води, що містять в розчинах певні компоненти або їх сполуки в кількостях, що дають змогу вести їх видобуток і переробку. З підземних вод видобувають йод, бром, кухонну сіль, сполуки бору, літію, рубідію, германію, урану та ін.

Фото:
Джерело: